ESC(电子稳定控制系统)基础介绍
ESC(电子稳定控制系统)基础介绍
电子稳定控制系统（ESC）是现代汽车安全系统的核心组成部分，它通过监测和控制车辆的动态状态，提高车辆的稳定性和操控性。本文将详细介绍ESC的硬件组成、工作原理以及其在现代汽车中的具体应用。
ESC（Electronic Stability Control），别名：ESP（Electronic Stability Program）或VSC（Vehicle Stability Control）是现代汽车安全系统的核心组成部分。每家对此称呼可能各不相同，但是目的都是提高车辆的稳定性和操控性。
近年来OEM出于制造成本、动能回收要求、功能安全冗余等需求，ESC系统的存在形式出现了不少变化，目前主要是以下几种：
- 真空助力器 + ESC
- 解耦/非解耦的电子助力器 + ESC
- 集成式制动助力器Onebox
- Onebox + RBU（制动备份单元）
博世ESP方案，图源知乎Mr.Zhang
ESC系统组成
- 液压控制单元（HCU）
组成：
- 电磁阀：控制制动液流动路径
- 泵：配合阀控制轮缸压力
- 蓄能器：储存不能被泵掉的残余制动液
- 压力传感器：监测制动主缸压力
功能：
- 快速精确地控制每个车轮的制动压力
- 实现ABS/TCS等功能
HCU ，图源奕隆官网
- 电子控制单元（ECU）
组成：
- 微处理器：处理传感器数据，驱动阀和电机
- 存储器：存储控制软件和参数信息
- 输入/输出接口：与传感器和执行器通信
功能：
- 实时分析车辆状态和驾驶员输入
- 计算干预措施，向HCU发送控制指令
- 与其他控制器协调工作
ECU，图源网络搜索
- 车轮速度传感器（WSS）
组成：霍尔传感器
功能：通过传感器扫过齿圈获得脉冲信号，进而计算轮速、轮速方向、气隙等
轮速传感器，图源博世官网
- 齿圈
组成：各型式的齿圈，均匀排布的齿
功能：提供车轮转动信息
轮速齿圈，图源网页搜索
- 横摆和加速度传感器（IMU）
组成：加速度传感器、陀螺仪
功能：测量车辆的Ax, Ay, Az, Yaw, Pitch, Roll
IMU，图源博世官网
- 转向角传感器（SAS）
组成：
- 编码器：检测转向轮位置
- 信号处理电路：将编码器信号转换为数字信号
功能：
- 测量驾驶员的转向输入角度
方向盘转角传感器(管柱安装)，图源博世官网
- 制动踏板开关（BLS）
组成：机械开关或压力传感器
功能：检测驾驶员是否踩下制动踏板
制动开关，图源淘宝
液压原理
在接下来的图中我们用以下规则：红色为高压；绿色为低压；黄色为通电；紫色为泵促使制动液的流向。HSV修正为吸入阀；USV修正为隔离阀
X型布置液压回路示意图
正常制动及ABS增压：所有电磁阀保持断电状态，液压回路：主缸 -> 增压阀 -> 轮缸；示意如下图：
常规制动液压示意图
ABS减压：减压阀通电打开，增压阀通电关闭，液压回路：轮缸 -> 减压阀 -> 蓄能器 -> 柱塞泵 -> 主缸；示意如下图：
ABS减压液压示意图
单轮增压功能：驾驶员未踩制动踏板时，通过柱塞泵主动建立轮缸压力，以左前轮为例:左前轮增压阀断电打开,同一回路里的右后轮增压阀通电关闭。同时两个回路的隔离阀通电关闭，左前轮回路的吸入阀通电打开,电机驱动柱塞泵工作，液压回路:主缸 -> 吸入阀 -> 柱塞泵 -> 增压阀 -> 轮缸；示意如下图：
单轮建压液压示意图
减压功能：所有电磁阀保持断电初始状态，电机断电，由于主缸无压力，轮缸压力高，制动液会通过增压阀和隔离阀自然返回主缸。示意如下图：
减压液压示意图
ESC功能
主功能：
一般有三大主功能，通常EBD包含在ABS中。
- ABS（防抱死制动系统）
- 防止车轮在紧急制动时锁死，最优化制动距离
- 保证车辆在紧急制动时的可操控性和稳定性
- 抑制快速制动时车辆严重的俯仰
- EBD（电子制动力分配）
- 动态调整前后轴之间的制动力分配
- 提高制动效率和稳定性
- TCS/ASR（牵引力控制系统）
- 控制动力源输出扭矩，必要时对打滑车轮进行制动
- 优化车辆在各种路面的加速性能和稳定性
- VDC/AYC（车辆动态控制）
- 在车辆失稳时进行车辆姿态修正
- 帮助在极限驾驶中发挥车辆性能
VAF（附加增值功能）：
VAF一般是OEM付费增加的功能，通常会选择：
- HBA液压制动辅助：在紧急制动时提供额外制动力
- HBB/HBC液压助力补偿/液压助力备份：在助力器失效或建压能力不足时提高额外制动力
- HSA坡道起步辅助：防止车辆在坡道上起步时溜车AVH自动驻车：停车后自动保持车辆静止
- HDC陡坡缓降控制：在下坡时控制车速
- AEB自动紧急制动：在检测到紧急情况时自动刹车
当然，除了上述的VAF以外还有以下这些相对常见可选的功能：
- 驾驶模式选择：通过接口切换不同的功能控制参数，满足不同驾驶风格的需要
- BDW制动盘除水：关联雨刮器，当算法判定制动盘可能有水时轻夹制动器来除水
- ARP/RMI主动防翻滚：通过车辆状态监测，在出现侧翻风险时制动同侧前后轮防止侧翻
- MSR/DTC/EDC驱动拖滞控制：通过主动增扭，防止油车拖挡、电车能量回收导致的车轮抱死
- CDP/DBF拉起EPB减速停车：通过拉起EPB开关，ESC主动建压停止车辆
- ABP主动制动预填充：在检测到需要紧急制动的情况下ESC主动建压填充制动盘片的间隙
除上述之外，VAF还是有一些不常见的功能比如制动热衰后的压力补偿，载货后后轴抱不死的压力补偿等等，让我们在今后的文章中慢慢探讨。
展望
近几年间，自动驾驶异常火热。同时，更多电控系统逐渐在车上配置，比如线控转向、后轮转向、电控悬架...这些配置使得ESC必须考虑更多输入来完善性能，而且算法也有上移的趋势，比如在VMC一个控制器里完成制动、转向和悬架的所有控制。因此在今后的发展中我们必然会接触到更多新的知识，让我们一起期待吧。